[論文レビュー] Polaromechanics: cavity-magnon polaritons strongly coupled to phonons

Ruichang Shen, Jie Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2023

Mechanical and Optical ResonatorsPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、共鳴完全吸収（CPA）を用いて、キャビティ磁気モード極子（CMP）の崩壊レートを四乗の程度低減することで、キャビティ磁気力学系における機械的オシレーターとCMPとの強い結合を実証した。これにより、極子-力学系協調度が $4 \times 10^3$ に達し、通常モード分裂の観測が可能となり、光子、磁モーメント、格子振動子の協調的量子制御に不可欠な三重強結合状態が確立された。

ABSTRACT

Building hybrid quantum systems is a crucial step for realizing multifunctional quantum technologies, quantum information processing, and hybrid quantum networks. A functional hybrid quantum system requires strong coupling among its components. However, couplings between distinct physical systems are typically very weak. Experimental realization of strong coupling in a hybrid system remains a long-standing challenge, especially when it has multiple components and the components are of different nature. Here we demonstrate the realization of triple strong coupling in a novel {\it polaromechanical} hybrid system, where polaritons, formed by strongly coupled ferromagnetic magnons and microwave photons, are further strongly coupled to phonons. The corresponding polaromechanical normal-mode splitting is observed. A high polaromechanical cooperativity of $9.4 imes10^3$ is achieved by significantly reducing the polariton decay rate via exploiting coherent perfect absorption. The quantum cooperativity much greater than unity is achievable if placing the system at cryogenic temperatures, which would enable various quantum applications. Our results pave the way towards coherent quantum control of photons, magnons and phonons, and are a crucial step for building functional hybrid quantum systems based on magnons.

研究の動機と目的

• キャビティ磁気力学（CMM）系における機械的オシレーターとキャビティ磁気モード極子（CMP）との強い結合を達成すること。
• 従来のCMM実験における弱い結合の制限を克服し、極子の崩壊レートを低減し、結合強度を向上させること。
• 三重強結合状態に達することで、光子、磁モーメント、格子振動子の協調的量子制御を可能にすること。
• マルチパーティクルハイブリッド系における豊富な強結合および非線形効果を研究するためのプラットフォームを構築すること。

提案手法

• マイクロ波キャビティにおける有効な増幅を設計するために共鳴完全吸収（CPA）を用い、キャビティ損失とバランスをとることで、CMPモードの有効崩壊レートを低減した。
• CPA条件でシステムを動作させ、極子崩壊レートを約3.43 kHzから約0.48 kHzへと四乗の程度低減した。
• 磁気歪みを介して磁モーメントと結合する変形モードを持つマクロなYIG球を機械的オシレーターとして採用した。
• マイクロ波駆動を用いて極子周波数を調整し、磁モーメント自己カー効果を誘発することで、上分岐極子の連続的周波数チューニングを実現した。
• 反射スペクトルを測定して、強い結合の印である通常モード分裂および反クロスイング行動を観測した。
• 結合強度と有効崩壊レートの比を用いて協調度 $C_{\rm{+,b}}$ を定量化し、$4 \times 10^3$ を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMM系において、機械的オシレーターとキャビティ磁気モード極子との間で強い結合を達成できるか？
• RQ2 キャビティ磁気モード極子の崩壊レートを十分に低減することで、強い結合を実現できるか？
• RQ3 得られた協調度は何か？ また、これまでのCMM実験と比較してどうなるか？
• RQ4 通常モード分裂および反クロスイングの特徴が観測可能か？ これにより三重強結合状態が確認できるか？
• RQ5 格子振動子、光子、磁モーメントの量子状態準備にどのような意味を持つのか？

主な発見

• CPAを用いることで、極子崩壊レートが約3.43 kHzから約0.48 kHzへと四乗の程度低減された。
• 極子-力学系協調度 $C_{\rm{+,b}} \approx 4 \times 10^3$ を達成し、従来のCMM実験と比較して三乗の程度向上した。
• 通常モード分裂が観測され、分裂エネルギーが $2G_{+}$ であった。$G_{+}$ は10.32 dBmの駆動パワーで23.19 kHzに増加した。
• 極子周波数を機械的サイドバンドを通過させながらチューニングした際、通常モードスペクトルに反クロスイングが観測され、準位反発が示された。
• システムは三重強結合状態にあり、通常モードはマイクロ波光子、磁モーメント、格子振動子のハイブリッド化である。
• 向上した協調度により、機械的冷却効率が著しく向上し、格子振動子レーザーの動作閾値も低下した。